基于三維反向射線跟蹤的電波傳播預測

唐亞平，徐大專，朱秋明，任佳敏，周生奎，黃 攀

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基于三維反向射線跟蹤的電波傳播預測

唐亞平，徐大專，朱秋明，任佳敏，周生奎，黃 攀

(南京航空航天大學電子信息工程學院，南京 210016)

在復雜城市傳播環(huán)境中，搜索三階及以上反射及繞射路徑能提高電波損耗預測精度，但現(xiàn)有研究主要針對二階及以下反射及繞射路徑。為此，提出一種任意階反射及繞射反向射線跟蹤算法。該算法基于鏡像原理和一致性繞射理論，反向搜索確定射線傳播路徑，同時通過正向篩選過程建立可見多邊形、棱邊和場點，從而減少相交測試次數(shù)，降低高階路徑的搜索復雜度。在此基礎上論述反射及繞射次數(shù)等因素對電波傳播預測精度和復雜度的影響。數(shù)值仿真結果表明，考慮高階傳播路徑能有效提高預測精度和預測效率，為三維城市中電信基站的規(guī)劃設計和網(wǎng)絡優(yōu)化提供依據(jù)。

三維射線跟蹤；電波傳播；損耗預測；反向算法；加速算法；繞射

1 概述

無線電波傳播損耗的精確預測為微蜂窩無線網(wǎng)絡的合理規(guī)劃和設計提供了必要條件，同時也是研究移動通信網(wǎng)絡系統(tǒng)性能的基礎。典型的微蜂窩小區(qū)電波傳播環(huán)境是在城市建筑物的“峽谷”中，導致傳統(tǒng)統(tǒng)計經(jīng)驗模型[1-2]失效，取而代之的是以射線跟蹤為基礎的確定性預測方法[3]。

射線跟蹤法是一種基于幾何光學和一致性繞射理論的方法，文獻[4]給出的正向跟蹤算法實現(xiàn)簡單且效率高，但無法精確計算每條射線的場強、時延、到達角、相位等參數(shù)，預測精度低。在此基礎上，文獻[5-6]提出了基于鏡像原理的反向射線跟蹤法(簡稱IMG法)，預測精度較高，可以準確地計算場強、時延、相位等信息。但反向算法的復雜度很高，針對不同的接收點需要進行不同的射線跟蹤，導致計算量大，因而計算效率不高。目前，大部分文獻研究反向射線跟蹤算法時，認為只需考慮二階及以下的反射及繞射路徑的搜索[7-8]。

筆者前期研究發(fā)現(xiàn)在復雜城市傳播環(huán)境下，尤其當收發(fā)天線間不存在視距路徑時，只考慮二階以下的反射及繞射遠遠不夠。為此，本文針對復雜城市環(huán)境電波傳播的特點，提出一種任意階反射及繞射反向射線跟蹤算法。分析討論反射和繞射階數(shù)等因素對電波傳播預測精度和復雜度的影響，并利用實測數(shù)據(jù)對算法進行仿真驗證。

2 反向射線跟蹤預測原理

反向射線跟蹤基本思想是根據(jù)幾何光學和幾何繞射理論，由場點出發(fā)，反向追蹤每一條能從源點到達場點的路徑。由于傳播場景復雜，追蹤所有能從源點到達場點的路徑計算量較大，考慮到電波傳播過程中的衰減特性，實際中可以忽略幅度很小的傳播路徑。

則源點到場點處的路徑損耗為：

3 基于反向射線跟蹤的三維路徑搜索

在電波傳播損耗預測中，正確搜索出射線路徑對預測精度起著至關重要的作用。影響電波傳播的因素主要包括直射、反射、透射和繞射，對于復雜城市環(huán)境可不考慮透射，而只考慮直射、反射和繞射路徑。

3.1 反射路徑搜索

(5)遍歷模型中所有平面，找到所有階反射路徑。

圖1 I階反射平面圖

3.2 繞射路徑搜索

在微蜂窩傳播環(huán)境中，收發(fā)天線高度一般低于周圍建筑物，電波經(jīng)過建筑物屋檐繞射到達接收點的射線數(shù)量很少且到達強度很小。因此，本文忽略建筑物頂部的繞射效應，而只考慮垂直尖劈的繞射。

已知源點與場點，如圖2所示，基于一致性繞射原理，本文搜索階繞射路徑步驟如下：

(4)遍歷模型中所有尖劈，找到所有階繞射路徑。

圖2 I階繞射示意圖

4 反向射線跟蹤算法實現(xiàn)

筆者針對實際場景的預測結果進行分析，發(fā)現(xiàn)相當多的鏡像對場點并無貢獻即無效像點。受此啟發(fā)，下面從減小求交測試數(shù)方面著手，通過建立源點可見面劈表，從而快速確定射線跟蹤的有效路徑，提高預測效率。

4.1 源點作用范圍篩選

并非每個多邊形面都能產(chǎn)生反射和繞射，能夠產(chǎn)生鏡像源的面必須在源點可視范圍內(nèi)。發(fā)射源可視范圍為周圍360°空間，反射源可視范圍為鏡像點與反射面邊緣連線所夾區(qū)域內(nèi)，繞射源發(fā)出的射線只存在于以尖劈邊緣為軸，以入射線與邊緣夾角為頂角的繞射圓錐面上。

4.2 自身遮擋篩選

圖3 自身遮擋判斷示意圖

經(jīng)過該篩選步驟后，只需對陽面范圍內(nèi)射線與平面相交的情況進行判斷，即可提高近1倍的計算效率。

4.3 建筑物間遮擋篩選

(1)存在墻面其一端位于測試區(qū)域中；

(2)存在墻面橫跨檢測區(qū)域；

圖4 建筑物間遮擋判斷示意圖

圖5 墻面、尖劈編號示例

5 數(shù)值仿真與性能分析

圖6 渥太華街區(qū)場景

利用本文給出的預測模型對Laurier街道和Kent 街道分別進行任意階反射及繞射情況時的預測結果如圖7所示。可以看出，隨著反射次數(shù)的增加，預測精度有所提高；但在建筑物較密集區(qū)域(接收點受到障礙物阻擋較多)，還需通過增加繞射次數(shù)，才能達到理想預測精度?？梢姡黾永@射次數(shù)對于預測精度的提高程度大于反射次數(shù)增加帶來的預測精度的提高。因此，在反向射線跟蹤電波傳播預測模型中，繞射效應對預測精度至關重要。

圖7 渥太華場景預測結果比較

表1和表2給出了各測試路徑下不同方法的預測精度和耗時比較，其中，MEAN和STD分別表示預測值與實測值之差的平均值以及均方差?？梢?，提高反射及繞射次數(shù)可使精度提高最多13.8 dB。在考慮高階反射及繞射時標準偏差均小于8 dB，可滿足工程實際需求。值得強調(diào)的是，隨著反射及繞射次數(shù)的增加，計算效率會有所下降。此外，預測值與實測數(shù)據(jù)存在的偏差可能與未考慮漫散射、建筑物電參數(shù)的選擇以及預測場景環(huán)境的簡化有關。

表1 預測性能與反射及繞射次數(shù)的關系(Laurier Street)

表2 預測性能與反射及繞射次數(shù)的關系(Kent Street)

6 結束語

本文提出一種任意階反射及繞射反向射線跟蹤算法，將虛擬源可見面劈的篩選過程貫穿在射線跟蹤的整個計算過程中，提高了計算速度；同時基于反向跟蹤的路徑搜索方法保證計算精度。該算法可適用于三維復雜傳播環(huán)境中的場強預測。實驗中未考慮電波的多源干涉情況，計算效率也有一定提升空間，這些都是需要進一步研究的問題。

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編輯 金胡考

Radio Wave Propagation Prediction Based on 3D Reverse Ray-tracing

TANG Ya-ping, XU Da-zhuan, ZHU Qiu-ming, REN Jia-min, ZHOU Sheng-kui, HUANG Pan

(College of Electronic Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

In traditional reverse ray-tracing and predicting model, the order of reflection and diffraction is two or less. In this paper, a new 3D reverse ray-tracing algorithm for accurate field strength prediction is proposed, particularly suitable for urban scenarios. The orders of reflection and diffraction are arbitrary. Virtual source tree is created by directing search, and after that all valid paths from transmitter to receiver can be found quickly by inversing search. The effects of order of reflection and diffraction on predicting precision and complexity are also analyzed. Numerical results of the simulation show that this algorithm has higher accuracy and efficiency, which is quite useful for the design and optimization of wireless network.

3D ray-tracing; radio wave propagation; loss prediction; reverse algorithm; acceleration algorithm; diffraction

1000-3428(2014)03-0143-04

A

TP393

航空科學基金資助項目(20120152001)；中央高校基本科研業(yè)務費專項基金資助項目(NZ2012012)；中國博士后科學基金資助項目(2013M541661)；南京航空航天大學研究生學位論文創(chuàng)新與創(chuàng)優(yōu)基金資助項目(DZS201103)；南京航空航天大學研究生創(chuàng)新基地(實驗室)開放基金資助項目(kfjj130115)。

唐亞平(1988－)，女，碩士研究生，主研方向：無線通信，無線電波傳播預測與建模；徐大專，教授、博士；朱秋明， 副教授、博士；任佳敏、周生奎、黃 攀，碩士。

2013-01-30

2013-03-26 E-mail：yapingtang1@163.com

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.03.029